Ursula Gather wurde in Mönchengladbach geboren. Sie ist verheiratet und hat zwei Söhne. Nach ihrem Mathematikstudium an der RWTH Aachen arbeitete sie von 1976 an als wissenschaftliche Assistentin am Institut für Statistik und Wirtschaftsmathematik der RWTH. Dort schloss sie 1979 ihre Promotion und 1984 ihre Habilitation im Fach Mathematik ab.

Im Jahr 1985 nahm Ursula Gather eine Professur an der University of Iowa in den USA an, bevor sie 1986 dem Ruf an die Universität Dortmund folgte. Bis zum Amtsantritt als Rektorin war sie hier Inhaberin des Lehrstuhls für Mathematische Statistik und industrielle Anwendungen in der Fakultät Statistik. Zu ihren Arbeitsgebieten zählten statistische Modellbildung und robuste Verfahren, Qualitätssicherung und Statistik in der Industrie sowie Methoden zum Online-Monitoring. Von 1997 an war sie zwölf Jahre lang Sprecherin des DFG-Sonderforschungsbereichs 475 „Komplexitätsreduktion in multivariaten Datenstrukturen“. Sie betreute 30 Promotionen sowie sechs Habilitationen. Neben der eigenen Publikationstätigkeit (ca. 160 referierte Arbeiten) war sie Mitherausgeberin von fünf Fachzeitschriften und ist dies noch heute für zwei Buchreihen im Springer-Verlag.

Preise und Auszeichnungen begleiten alle Stationen ihrer wissenschaftlichen Karriere: Ihre Diplomarbeit wurde mit der Springorum-Münze ausgezeichnet, ihre Dissertation mit der Borchers-Plakette der RWTH Aachen geehrt. Ein Jahr nach ihrer Berufung an die Universität Dortmund erhielt sie 1987 den renommierten und seinerzeit mit 850.000 DM dotierten Alfried Krupp von Bohlen und Halbach-Förderpreis für junge Hochschullehrer. Den Forschungsaufenthalt in Melbourne ermöglichte ihr 2001 der IREX-Award des Australian Research Council. Internationale Gastprofessuren führten Ursula Gather an die University of Pune, Indien (1982), die Yale University, USA (1990), die Université des Sciences et Technologies de Lille, Frankreich (1994) sowie an die La Trobe University, Melbourne, Australien (2001). Rufe erhielt sie von den Universitäten Karlsruhe (1990), Würzburg (1996), Aachen (2003) und Lancaster (2005).
Zahlreiche Funktionen in Forschungsorganisationen weisen Ursula Gather als erfahrene Wissenschaftsmanagerin aus. Von 1996 bis 2002 wurde sie in den Wissenschaftlich-Technischen Ausschuss des Aufsichtsrats am Forschungszentrum Jülich berufen. Acht Jahre war sie Mitglied im Vorstand der Deutschen Statistischen Gesellschaft (2000 bis 2008). Mitte 2004 wurde sie ins Fachkollegium Mathematik der DFG gewählt und übernahm gleichzeitig vier Jahre lang die Funktion der DFG-Vertrauensdozentin an der TU Dortmund. Seit 2007 ist sie Mitglied im Council des International Statistical Institute. Derzeit hält sie den Vorsitz des DFG-Fachkollegiums Mathematik und des Fördervereins des Mathematischen Forschungsinstituts Oberwolfach. Zudem ist sie seit 2007 stellvertretende Vorsitzende des Senats des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR).

Auch in der universitären Selbstverwaltung hat sich Ursula Gather bereits früh engagiert. Von 1991 bis 1994 war sie Dekanin der Fakultät Statistik, von 1994 bis 1998 Prorektorin für Forschung.
Am 30. Mai 2008 wurde sie vom Hochschulrat zur ersten Rektorin der TU Dortmund gewählt. Ihre Amtszeit begann am 1. September 2008.